Thèse - Universitate
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Investeşte în oameni! Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1: "Educaţia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere" Domeniul major de intervenţie 1.5: "Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării" Titlul proiectului: "Studii doctorale în ştiinţe inginereşti în scopul dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere - SIDOC" Cod contract: POSDRU/88/1.5/S/60078 Beneficiar: Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca FACULTE DE L’INGENIERIE ELECTRIQUE Ing. Teodosescu Petre Dorel Thèse - Résumé- RECHERCHE SUR LE DEVELOPPEMENT DE BALLAST ELECTRONIQUE AVEC CORRECTION DU FACTEUR DE PUISSANCE Conseiller scientifique, Prof. Dr. Ing. Richard MARSCHALKO Année 2012 1 Contenu de thèse 1. Introduction............................................................................................................................................................................................................... 11 2. Situation actuelle dans les circuits de commande et de contrôle électronique de systèmes d'éclairage.................................................................. 16 2.1. Situation actuelle dans les systèmes d'éclairage fluorescent................................................................................................................................. 16 2.2. L'éclairage artificiel avec diode électroluminescente (LED ................................................................................................................................. 38 2.3. Le problème de l'éclairage facteur de puissance avec la LCF et de systèmes d'éclairage à LED ........................................................................ 52 2.4. Les conclusions préliminaires et les lignes de recherche ...................................................................................................................................... 62 3. Études et recherches sur le développement de systèmes d'éclairage fluorescent compacts .................................................................................... 63 3.1. Enquête menée par la modélisation mathématique, la simulation et les tests de performance des lampes fluorescentes compactes (LFC) sur le marché ........................................................................................................................................................................................................................... 64 3.2. Correction du facteur de puissance et de la forme d'entrée en cours en utilisant des filtres passifs..................................................................... 77 3.3. Méthodes actives du facteur de puissance de correction pour lampes LCF ......................................................................................................... 84 3.4. Conclusions générales concernant les solutions proposées pour la correction du facteur de puissance pour lampes fluorescentes compactes115 4. La recherche théorique et expérimentale sur l'alimentation et les circuits de commande nouvelle pour les systèmes d'éclairage à LED .......... 117 4.1. Convertisseurs LC et LLC de résonance ............................................................................................................................................................. 119 4.2. La reconfiguration d'un ballast électronique dans un convertisseur résonant..................................................................................................... 122 4.3. Mise en œuvre et l'essai d'un dispositif d'éclairage LED à l'aide d'auto-oscillants convertisseurs résonnants .................................................. 142 5. Conclusions générales ............................................................................................................................................................................................ 153 1. Introduction Les systèmes d'éclairage modernes sont basés sur la transformation de l'énergie électrique en énergie lumineuse. Dans la recherche des dispositifs d'éclairage, les objectifs sont l'amélioration continue de leur performance, tels que l'efficacité lumineuse W / lm, ainsi que la fiabilité, la durée de vie, le coût de mise en œuvre, la complexité, la qualité de la lumière générée, la flexibilité dans l'utilisation pour des applications différentes, la taille et de poids réduits, un large éventail de températures de travail, le facteur de puissance, le total des facteurs de distorsion harmonique, les critères de compatibilité électromagnétique, EMI. Les lampes électroniques avec de base Edison, LCF et LED, sont considérés comme des charges de faible puissance, par conséquent, les questions relatives au facteur de puissance peuvent être facilement négligées par le distributeur ou le fabricant de l'électricité, en particulier dans le cas d'un manque de règles claires. Si les effets négatifs induits par une lampe électronique avec un facteur de puissance faible sont négligeables, lors de l'analyse des effets globaux d'un grand nombre de ces dispositifs, l'étude et la correction du facteur de puissance sont appropriées et nécessaires. Ainsi, la recherche dans cette thèse sera principalement orientée vers la correction du facteur de puissance pour les systèmes d'éclairage à commande électronique et vers de nouvelles solutions qui peuvent être, directement mises sur le marché. En outre, les diodes de forte puissance d'émission de lumière (LED) est l'un des segments les plus dynamiques de la recherche dans le monde entier. Les voies de recherche poursuivis dans cette thèse sont basées sur des solutions pour améliorer l'unité d'alimentation à travers une technologie LED-LCF unifié qui est relativement simple, pas cher et facile à mettre en œuvre sur une grande échelle. 2. La situation actuelle dans les circuits de commande et de contrôle électronique de systèmes d'éclairage Le deuxième chapitre de la thèse présente l'état actuel de la technologie, des caractéristiques spéciales, les avantages et inconvénients du système d'éclairage électronique avec la LCF et le LED. Après analyse, les voies de recherche appropriées sont décrites, à savoir, la correction du facteur de puissance pour les systèmes d'éclairage et le développement de nouveaux circuits de commande électronique basés sur la technologie LED commune CFL-LED, qui peuvent être mis en œuvre avec la baisse des investissements et qui se distinguent par une plus faible complexité que les solutions actuelles. 2.1 La situation actuelle dans les systèmes d'éclairage fluorescent Cette section se réfère en particulier aux dispositifs d'éclairage artificiels qui sont considérés la solution la plus appropriée pour remplacer les lampes à incandescence existantes avec prise de type Edison, à savoir les lampes fluorescentes compactes. En ce qui concerne ces dispositifs d'éclairage, nous mettrons en évidence quelques idées sur la technologie ainsi que les principes de fonctionnement. La forme et la taille de la LCF sont semblables à celles des lampes à incandescence afin d'être compatible avec les appareils existants. En outre, certains véritables modèles de circuits électroniques trouvés dans ces lampes sont décrits. Ce dispositif d'éclairage, en particulier le ballast électronique dans la structure, est l'élément principal dans la recherche qui sera effectuée dans cette thèse. Suite à l'analyse concrète d'un certain nombre de ballasts utilisés dans les lampes fluorescentes compactes, fabriqués par des sociétés bien connues, on peut conclure que les principes de fonctionnement et les circuits sont relativement similaires. Tous ceux-ci sont fondées sur l'auto oscillant en demi-pont topologie d'onduleur avec des composants électroniques discrets. 2.2. L'éclairage artificiel avec diode électroluminescente (LED) Ce chapitre analyse le principe de l'éclairage artificiel utilisant des diodes électroluminescentes (LED). La thèse décrit les principes de fonctionnement de ces types de diodes ainsi que les façons électroniques de commande et de contrôle. Les circuits fonctionnent principalement sur les classiques convertisseurs Buck, Boost ou Flyback. Les topologies classiques des circuits de commande LED ont aussi quelques inconvénients tels que: 1. L‘ haute complexité 2. L’utilisation d'un circuit intégré spécialisé augmente le coût de production 3. Le fonctionnement en boucle fermée augmente le nombre de composants utilisés Ainsi, dans cette thèse, nous allons essayer d'éliminer ou au moins de minimiser ces inconvénients par la conception, la simulation et l'expérimentation de nouveaux circuits pour le contrôle de courant constant de LED. 2.3. Le problème du facteur de puissance dans les systèmes d'éclairage à LED et LCF Le dispositif d'éclairage, LCF et LED, sont considérés comme des charges de puissance faible, souvent en dessous de 30W. Cela rend les systèmes d'éclairage électroniques de ne pas être gravement et très explicitement réglementé en termes de facteur de puissance et les niveaux harmoniques. Dans ce contexte, le présent chapitre reprend très brièvement la question du facteur de puissance en général, et illustre les 2 principales solutions passives et actives pour la correction du facteur de puissance, qui pourraient être éventuellement appliquées pour ces types de charges non linéaires. 2.4. Les conclusions préliminaires et les lignes de recherche Les systèmes d'éclairage LFC et LED semblent être la solution pour l’avenir de l'efficacité énergétique au détriment de la solution traditionnelle, qui est la lampe à incandescence. Les deux solutions présentent des avantages évidents dans tout ce qui signifie, une faible consommation d’énergie et une longue durée de vie, mais aussi présente certaines difficultés dans l'obtention d’une mise en œuvre à faible coût. D’ailleurs, le comportement du réseau électrique ne peut plus être ignoré, mais il doit être analysé afin de trouver les meilleures solutions à mettre en œuvre la correction du facteur de puissance des circuits. 3. Études et recherches sur le développement de systèmes d'éclairage fluorescent compacts Le troisième chapitre de la thèse traite de la modélisation mathématique du ballast électronique idéal, suivie par la modélisation, la simulation et les tests de circuits pratiques destinées à corriger le mauvais facteur de puissance des lampes fluorescentes compactes. Les deux méthodes passives et actives sont à l'étude, et enfin une étude comparative est menée, sur la base des résultats obtenus dans le cas de chaque solution proposée. 3.1. Enquête menée par la modélisation mathématique, la simulation et les tests de performance des lampes fluorescentes compactes (LFC) sur le marché Quatre circuits trouvés dans les lampes fluorescentes compactés sont en cours d'analyse. La conclusion générale, très importante dans le contexte de cette recherche, serait que la topologie d'onduleur est la même pour chacun des modèles, que cette solution représente le compromis idéal entre le coût de production, l'efficacité et la vie professionnelle satisfaisante. En conséquence, la recherche sur l'amélioration du facteur de puissance des lampes fluorescentes compactes doit être faite de telle manière que la partie mature du circuit doit être affectée aussi peu que possible. Le modèle mathématique idéal pour un ballast LFC est mis en place; ce développement est approprié pour la fondation d'une analyse systémique, par comparaison avec les produits trouvés sur le marché et pour la reconnaissance des directions d'avancement de la LFC, comme l'amélioration de la puissance facteur et la forme d'entrée courante. 3.2. Correction du facteur de puissance et de la forme d'entrée en cours en utilisant des filtres passifs L'application des méthodes d'alimentation avec correction passive du facteur de puissance à travers des filtres passifs est possible, avec certains avantages tels que le faible coût d'implémentation, la réduction de la complexité et le nombre réduit de composants électroniques (Fig.1). L'analyse effectuée met également en évidence des inconvénients, comme par exemple le facteur de crête élevée pour le courant à travers le tube fluorescent, plus des condensateurs électrolytiques par rapport au circuit original et un prix de production légèrement supérieure. Le principal avantage de cette méthode est le volume réduit des circuits électroniques nécessaires et la compatibilité quasi parfaite avec le type de coffret Edison. a. b. c. Fig. 1. Résultats de l'exécution de filtres Valley-Fill : Schémas électroniques pour les 3 modèles; b) Courant d'entrée (jaune) et de la tension (en bleu); analyses de Fourier du courant d'entrée (vert); c) L'ondulation de courant pour le tube fluorescent 3 3.3. Méthodes actives de correction du facteur de puissance pour lampes fluorescentes compactes Le but principal de ce chapitre est d'améliorer la performance des lampes fluorescentes compactes, en termes de comportement vis à vis du réseau d’alimentation du CA, sans influence significative sur la bonne performance déjà atteinte, comme le coût de fiabilité, l'efficacité et le coût de production. En outre, ce chapitre décrit trois solutions possibles pour la correction du facteur de puissance active à travers la mise en œuvre de la pré-convertisseurs avec IC Boost PFC, simple Boost et simple Buck-Boost (Fig.2) topologies et les résultats très suggestives sont représentés dans le tableau 1. Courant d'entrée (jaune) et de la tension (en bleu); Tension du tube (bleu) et le courant (jaune) Courant d'entrée (jaune) et l'analyse de Fourier (vert) Fig. 2. Les schémas et les résultats de la mise en œuvre Buck-boost PFC convertisseur sur un ballast électronique CFL 3.4. Conclusions générales concernant les solutions proposées pour la correction du facteur de puissance pour lampes fluorescentes compactes Le tableau 1 illustre les résultats globaux en utilisant les solutions proposées pour corriger le facteur de puissance pour les CFL: Circuit 1 2 3 4 Circuit originale (Résultats expérimentaux et de simulation) Valley-fill 0 (Résultats expérimentaux et de simulation) Valley-fill 1 (Résultats expérimentaux et de simulation) Valley-fill 2 (Résultats expérimentaux et de simulation) Tension d'entrée courant d'entrée tension du tube courant du tube V A V mA facteur de puissance THD Facteur de crête courant de tube % PFC Circuit Montage Edison enceinte - - Totale efficacité électrique Euro coûts - 220V 54mA 78 140 0.6 79.4% 1.5 - - 91.9% - 220V 45mA 70 129 0.87 30.56% 1.76 Filtre passif Facile 91.2% 0.23 220V 48mA 74 129 0.90 22.86% 1.8 Filtre passif Facile 90.3% 0.23 220V 50mA 74.4 134 0.82 46.53% 1.66 Filtre passif Facile 90.5% 0.06 4 5 6 7 Boost ASIC PFC pré convertisseur (Résultats expérimentaux et de simulation) Boost PFC pré convertisseur (Résultats de simulation) Buck-Boost PFC pré convertisseur (Résultats expérimentaux et de simulation) 77V 156mA 77.3 134 0.97 8.46% 1.23 77V 155mA 74.5 131 0.96 10.93% 1.25 220V 52.5mA 77.3 127 0.99 2.18% 1.43 Contrôle actif en boucle fermée Contrôle actif en boucle ouverte Contrôle actif en boucle ouverte Pas facile 86.58% 4.76 Facile 81.8% 2.09 Facile 84.9% 2.09 Tableau 1. Les résultats globaux obtenus avec des méthodes d'alimentation passives et actives de correction du facteur de puissance En raison du fait que la tension de sortie dans la topologie Boost est significativement plus élevée que la tension d'entrée, la meilleure solution PFC pour la configuration la plus courante de la LCF de ballast est le PFC Buck-Boost. C'est principalement parce que cette solution semble être le meilleur compromis entre la capacité de corriger le facteur de puissance, THD, le coût mise en œuvre, le facteur de crête, la complexité et l'efficacité. 4. La recherche théorique et expérimentale sur l'alimentation et les circuits de commande nouvelle pour les systèmes d'éclairage à LED Dans le quatrième chapitre, une étude sur la reconfiguration éventuelle d'un ballast électronique LCF, pour contrôler LED à courant constant est présentée. Un modèle mathématique est développé, suivi plus tard par la modélisation et la simulation en Orcad / PSpice de la solution proposée. Enfin, deux lampes à LED, 4W, 8W respectivement, sont mises en œuvre, où la commande à courant constant est réalisée par un ballast reconfiguré LCF comme un parallèle LC résonant, en demi-pont convertisseur. 4.1. Convertisseurs LC et LLC de résonance Ce chapitre présente le résumé des caractéristiques générales convertisseurs résonnants LLC et LC. Ces convertisseurs n'ont pas été considérés comme une option possible dans les convertisseurs électroniques pour les systèmes d'éclairage jusqu'à ce qu'il a été démontré qu'elles peuvent avoir un rendement très élevé, même en comparaison avec les circuits reconnus. 4.2. La reconfiguration d'un ballast électronique dans un convertisseur résonant Dans cette section, nous présentons, par le biais de la modélisation analytique et Orcad / Pspice, le principe de fonctionnement des convertisseurs résonants de type LC série et parallèle. Suite à l'analyse théorique, deux modèles réels de convertisseurs résonnants sont mises en place, fabriqués à partir de la reconfiguration d'un ballast électronique, initialement utilisé dans les dispositifs d'éclairage de la LCF, (Fig.3). Les modèles proposés consistent, quasi-résonnant en demi-pont inverseur LCF topologie, complété par un circuit redresseur à haute fréquence et de la charge composée du circuit électrique équivalent d'une LED. Ces hypothèses seront analysées par la modélisation mathématique et simulation à l'aide Orcad / PSpice. Fig. 3. Les schémas de la reconfiguration de ballast électronique LCF à travailler comme une source de courant constante pur le LED 5 4.3. Mise en œuvre et l'essai d'un dispositif d'éclairage LED à l'aide d'auto-oscillants résonnants convertisseurs Enfin, nous présentons la mise en œuvre pratique d'un circuit de commande LED à l'aide d'un ballast électronique à l'auto oscillant en demi-pont de configuration dans la LCF, (Fig.4). Ainsi, nous présentons deux lampes LED, 4W et 8W. La lampe 4W est fait avec le ballast électronique qui se trouve dans lampes Philips Genie CFL 11W, redessiné pour contrôler une LED 12V BRIDGELUX. La lampe 8W sera mise en œuvre en utilisant le même ballast, mais cette fois la charge sera représentée par 3, 12V LED BRIDGELUX en série Fig. 4. Formes d'onde du courant (jaune) et de la tension (en bleu) au niveau de LED pour les 4W et 8W lampes à LED. 5. Conclusions générales La thèse présente des solutions concrètes à prendre pour résoudre les problèmes actuels de l'éclairage électronique de type Edison. Ainsi, dans le présent document plusieurs méthodes pour la correction du facteur de puissance sont proposées, et l'analyse de ceux-ci est menée par des moyens de simulation et la mise en œuvre pratique. En outre, de nouveaux circuits de commande constants actuels pour LED sont en cours d'élaboration, tandis que les solutions sont principalement démontrées analytiquement, puis mis en œuvre dans la pratique. 6
